复合材料损伤检测技术的应用现状

2020-10-18原志翔刘礼平

机械管理开发 2020年9期

原志翔，刘礼平

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

引言

复合材料具有比强度高、比模量高、材料性能可设计强等优异性能，已在航空航天、船舶、汽车、医疗器械等工程领域得到了广泛的应用。但是在加工制备和使用过程中不可避免地会产生气泡和损伤，这些会对结构的安全构成一定的威胁。由于在使用过程中，复合材料的失效机理比较复杂，判别具体的失效机理比较困难，因此需要一种有效的损伤监测手段，保证复合材料结构的安全性和可靠性[1-2]。

1 损伤类型

航空飞机所采用的复合材料在生产过程中形成的缺陷是导致复合材料“先天缺陷”的主要原因，而复合材料在应用中也会同样遭遇一系列的外界因素导致复合材料损伤。根据对飞机结构损伤的严重程度可以将所遇到的损伤分为两类：其中第一类损伤为允许的损伤，即这类损伤发生的位置不是在结构的承力位置，并不会对结构的可靠性和完整性造成影响而降低材料的性能，比如试件的表面划伤等损伤。第二类损伤即会影响到试件结构可靠性的损伤，这类损伤的发生会直接影响到结构的可靠性和完整性从而使得试件的性能下降[3]。

与在生产复合材料时所产生的缺陷相比，我们更需要关注的是复合材料在实际应用时产生的损伤，因为实际应用时产生的损伤会直接导致材料发生失效等破坏，从而影响材料的性能。

复合材料在实际应用过程中由于载荷的不同，也会有不同的损伤形式，以下介绍几种主要的损伤类型。

1.1 基体损伤

因为碳纤维复合材料中基体的强度远远低于纤维的强度，基体会首先出现裂纹，如图1所示。随着实验的进行裂纹断的扩展，最终会导致材料内基体无法承载，进而引起更严重的损伤[4]。

图1 基体损伤示意图

1.2 纤维断裂

由于纤维强度高，可以承载较大的载荷，所以纤维的断裂一般是因为纤维的承载超过本身的承载极限[5]，从而导致纤维的断裂，如图2所示。

图2 纤维断裂示意图

1.3 分层损伤

碳纤维复合材料层合板内部结构中有不同方向的铺层，在结构受到拉伸、弯曲等载荷的时候会出现分层现象，也就是不同铺层之间的黏合力降低[6]，从而使得不同层间发生缝隙导致分层，如图3所示。

2 检测技术

1）参数分析法：参数分析作为声发射特征参数主要的分析方式，需要通过简化后的的波形提取出相关信号特征参数进行研究，也就是从AE信号方面获取指标参数进而明确损坏的种类与表现。在设定AE参数的过程中，很多声发射信号的特征参数用来表征所产生的损伤，例如AE撞击数、振铃次数、幅值、持续时间、上升时间、能量等。这种分析方式具备简单高效、实时性突出等多方面优势，人们一般将其运用在相关材料的稳定性检测以及定量分析中，并在损伤识别方面得到应用，发挥了重大的价值[7-8]。

图3 分层损伤示意图

2）波形分析法：这种方式是对记录和保存下的波形信号内容展开频域研究，进而掌握声源对应的特征，当下人们在复合材料损伤形式的区分研究中，所应用到的此类方式重点为频谱分析等。频谱分析即傅里叶变换的方法，运用傅里叶变换将复杂的波形信号转换为简单的频谱图看出此时的波形对应的频率信息，从而明确AE源特征[9]。这是实际使用中被广泛运用的一种研究方式。

3）模式识别方法：伴随人工智能领域的突破以及不断发展，相关损伤信号的识别方法越来越多地被用于区分复合材料的损伤源。具体将这种区分方式划分成监督识别以及非监督识别。在后续的发展方向中，不用提前掌握信号特点的无监督方式将会得到人们的充分关注。在无监督模式识别方法中，聚类分析属于最广泛运用的一种。K-means聚类算法是复合材料损伤识别声发射检测中大量运用的一种识别算法。Bar等[10]通过相应的自组织映射等算法和不同层玻璃纤维复合材料的损伤模式对AE信号进行分类。模式识别算法使用声发射参数作为变量进行研究。后续在该领域技术的不断发展下，相关信号的采样频率已实现10 MHz。因为复合材料的损伤原理较为复杂，所以在采到的信号中将会存在不同种类的损伤数据。多种声发射信号保持叠加，造成后续参数重叠，从而给模式识别算法的应用带来一定的困难。